CN204649830U - 电磁环境下动生电动势的智能检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于该检测系统包括动生电动势产生部分、五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表，动生电动势产生部分的一端与五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表依次连接；动生电动势产生部分的另一端直接与精密峰值电压表连接；所述动生电动势产生部分包括单片机控制处理模块、电机驱动模块、显示模块、键盘输入单元、矩形线圈、线路检测模块和电机，矩形线圈与电机相连，电机输出端同时接键盘输入单元和线路检测模块，键盘输入单元和线路检测模块又分别与单片机控制处理模块相应输入端口连接，单片机控制处理模块输出端同时接显示模块和电机驱动模块。

Description

电磁环境下动生电动势的智能检测系统

技术领域

本实用新型属于电磁学技术领域，适用于动生电动势大小的测量，具体地说是电磁环境下动生电动势的智能检测系统。

背景技术

电磁感应现象是电磁学的核心问题，几乎贯穿了电磁学的所有知识点。导体在磁场中运动会产生电动势，即动生电动势，其大小为E＝BLv，与磁场的大小及运动速度的大小成正比。随着电的广泛应用，测量电磁感应现象产生的动生电动势对电磁测量，电工技术及电子技术方面具有很大的意义。申请号为201220111449.1的中国专利公开了一种动生电动势测定仪，该测定仪的测量范围较窄，只能测量几十伏的动生电动势，且线圈运动过程中的速度不能直接显示，测得的结果不够直观明了；在第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集中童培雄,赵在忠等人发表的动生电动势的测量一文中还提到一种导体在匀强磁场中平动产生动生电动势的测量仪器，这种仪器不仅不能直观的显示导体的运动速度，还不能完整的测量导体正反向运动产生的动生电动势，测量过程比较麻烦且测量结果误差大，精度低。随着磁感应现象的普遍应用，对动生电动势的测量装置的测量精度的要求不断提高，并且希望设计一种测量过程自动化的装置。因此对电磁环境下动生电动势的智能检测系统有着迫切的需求。

实用新型内容

针对现有装置的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电磁环境下动生电动势的智能检测系统。该检测系统克服了现有技术测量误差大和精度低的缺点，实现了智能化测量，并且可以测量小到几十毫伏的动生电动势，测量范围较大，由于该检测系统内设有倒相器和五引脚的SPDT继电器，故不管线圈正向、反向运动都可以将动生电动势完整地测量出来，不会发生漏测；且矩形线圈的运动速度完全实现自动化控制，并且由数码管直接显示，达到直观明了的效果，整个检测系统的测量误差小，测量精度高。

本实用新型解决该技术问题采用的技术方案是：提供一种电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于该检测系统包括动生电动势产生部分、五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表，动生电动势产生部分的一端与五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表依次连接；动生电动势产生部分的另一端直接与精密峰值电压表连接；

所述动生电动势产生部分包括单片机控制处理模块、电机驱动模块、显示模块、键盘输入单元、矩形线圈、线路检测模块和电机，矩形线圈与电机相连，电机输出端同时接键盘输入单元和线路检测模块，键盘输入单元和线路检测模块又分别与单片机控制处理模块相应输入端口连接，单片机控制处理模块输出端同时接显示模块和电机驱动模块；单片机控制处理模块控制电机运动，矩形线圈固定在电机所在的小车上，矩形线圈随小车在电磁环境下作往返运动，产生动生电动势。

上述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，所述精密峰值电压表包括二极管整流电路、运算放大器和电容滤波电路，并由磁电系电压表显示电压。

上述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，所述单片机控制处理模块采用89C52单片机，所述电机驱动模块包括大功率晶体管构成的桥式电路；所述线路检测模块包括30u31光敏二极管、9013型三极管、发光管。

上述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，所述显示模块采用数码管。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型克服了现有技术测量误差大和精度低的缺点，实现了智能化测量，具有显著的进步性，具体体现在以下方面：

(1)动生电动势的产生完全由单片机控制处理模块控制，通过单片机控制处理模块对送入的脉冲信号进行检测分析，自动控制电机正向、反向、停止等动作。矩形线圈运动速度可以通过调节单片机控制处理模块产生的占空比可变脉冲信号,调节脉冲宽度对电机进行电压控制从而实现平滑无极变速，避免了由手工操作所引起的误差，可以准确快速的获得所需要的动生电动势。

(2)加入倒相器后可以将矩形线圈整个往复运动的动生电动势通过精密峰值电压表测量出来，不会发生漏测。

(3)一般动生电动势为100mV左右，远远小于二极管的死区电压，所以一般的峰值表无法使用。而本申请所用的精密峰值电压表可以测量小到几十毫伏的峰值电压，能够有效地克服简易峰值电压表因二极管压降所造成的非线性误差。

(4)本装置结构简单，测试过程方便，成本较低，所用到的元器件也都是易于得到的，故可行性很高，并且还可以用于物理实验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的整体的结构框图。

图2是本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的动生电动势产生部分1的结构框图。

图3是本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的总体电路原理图。

图4是本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的电机驱动模块102的电路原理图。

图5是本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的线路检测模块107的电路原理图。

图中，1-动生电动势产生部分、2-五引脚的SPDT继电器、3-倒相器、4-精密峰值电压表；101-单片机控制处理模块、102-电机驱动模块、103-显示模块、104-键盘输入单元、105-矩形线圈、106-电机、107-线路检测模块。

具体实施方式

本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统(简称检测系统，参见图1-2)包括动生电动势产生部分1、五引脚的SPDT继电器2、倒相器3和精密峰值电压表4，动生电动势产生部分1的一端与五引脚的SPDT继电器2、倒相器3和精密峰值电压表4依次连接；动生电动势产生部分1的另一端直接与精密峰值电压表4连接；

所述动生电动势产生部分1包括单片机控制处理模块101、电机驱动模块102、显示模块103、键盘输入单元104、矩形线圈105、线路检测模块107和电机106，矩形线圈105与电机106相连，电机输出端同时接键盘输入单元104和线路检测模块107，键盘输入单元104和线路检测模块107又分别与单片机控制处理模块101相应输入端口连接，单片机控制处理模块101输出端同时接显示模块103和电机驱动模块102；单片机控制处理模块101控制电机106运动，矩形线圈105固定在电机所在的小车上，矩形线圈105随小车在电磁环境下作往返运动，产生动生电动势。

所述电机驱动模块102，即大功率晶体管构成的桥式电路，通过单片机控制处理模块101的高低电平信号控制电机的正反转即矩形线圈的正向、反向运动。当在单片机控制处理模块101中输入00时，电机为截止状态，当单片机控制处理模块101输入01时，电机为正转，当单片机控制处理模块101输入10时，电机为反转，但不能高电平同时输入，即不能输入11，其中1代表高电平，0代表低电平，电机的转速通过通过调节单片机控制处理模块产生的占空比可变脉冲信号，改变脉冲宽度来控制。

键盘输入单元104用于输入单片机外部指令，通过键盘输入常量及命令使单片机完成相应的功能。

本申请中电机106、单片机控制处理模块101和电机驱动模块102均为独立电源供电，由于电机工作电流较大，需要选用内阻小，供电电流强，质量轻，可反复使用的经济型电池，为此选用镍铬电池组。单片机控制处理模块101和电机驱动模块102通过两个独立电源供电，避免电机开机、关机和转动时对其电源电压的影响，使单片机控制处理模块101稳定工作。

所述线路检测模块107主要由30u31光敏二极管、9013型三极管和发光管组成。线路检测模块的主要作用是：光敏二极管和发光管构成光电传感器，主要用来检测矩形线圈往返运动跑道上起点和终点标记的黑线，产生高低电平输送到单片机控制处理模块101中，单片机控制处理模块101对输入的信号进行分析，从而实现速度的调节及停车 功能。线路检测模块检测到起点和终点的黑线时单片机控制处理模块将相应到达黑线的时间记录下来，并根据跑道的长度计算出往返速度，最终由数码管显示往返速度。

所述单片机控制处理模块101采用89C52单片机，为保证该单片机不受电机状态改变对单片机电源的影响，从而使用单独的电源，对单片机进行供电，以确保单片机工作的稳定性。单片机内部计数器/定时器主要进行定时、记数功能，单片机串行输入/输出口RXD，TXD进行显示控制。

所述显示模块103用来显示往返速度，显示模块103采用数码管。动生电动势的大小为E＝2BLv与矩形线圈的运动速度成正比，故需对线圈的运动速度进行显示。往返速度用四位数码管通过动态扫描的方式显示。

所述倒相器3包括NMOS管和PMOS管，倒相器3的输入端与五引脚的SPDT继电器的引脚b连接，倒相器3的输出端与精密峰值电压表的输入端即电阻R1的一端连接。在线圈运动方向改变之后，动生电动势经过倒相器实现相位反转180°。倒相器3包括漏pn结DRn、DRp和阱衬底pn结及二极管DW。DW直接跨接在电源和地之间，形成独立回路，并不影响CMOS倒相器的输入输出特性，所以在等效电路中未画出。

所述的精密峰值电压表4包括二极管整流电路、运算放大器和电容滤波电路，并由磁电系电压表指示。倒相器的输出端与精密峰值电压表的输入端相连。当精密峰值电压表4的输入电压为正时，二极管D1导通，二极管D2截止，而当精密峰值电压表4输入电压为负时，二极管D1截止，二极管D2导通，故运算放大器输出为放大的半波整流信号，只要运放的放大倍数足够大，则能有效地克服简易峰值表因二极管压降所造成的非线性误差，本电路能测量小到几十毫伏的峰值电压。

图2所示实施例表明，本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的动生电动势产生部分1，即电机驱动的矩形线圈装置，该装置包括单片机控制处理模块101、电机驱动模块102、显示模块103、键盘输入单元104、矩形线圈105、线路检测模块107和电机106，所述单片机控制处理模块101采用89C52单片机，矩形线圈105与电机106相连，电机106又同时与键盘输入单元104及线路检测模块107相连，键盘输入单元104和线路检测模块107分别与单片机控制处理模块101的输入端口相连，电机驱动模块102和显示模块103分别与单片机控制处理模块101的输出端口连接，单片机控制处理模块101控制电机106运动，进而带动矩形线圈105在电磁环境下作往返运动，产生动生电动势。

图3所示实施例表明，本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的总体电路原理图构成是：矩形线圈的一端与五引脚的SPDT继电器2的引脚c连接，另一端与精密峰值电压表4的运算放大器的同向输入端口相连，倒相器3由一个增强的n沟道MOS管，即M_N管，和一个增强型p沟道MOS管，即M_P管组成，且M_N管和M_P管的两栅极短接作为倒相器3的输入端，该输入端与五引脚的SPDT继电器2的引脚b相接，五引脚的 SPDT继电器2的d引脚和e引脚与单片机控制处理模块101的两个输入端口连接，由单片机控制处理模块101两个输入端口电位的高低控制五引脚的SPDT继电器2的状态。所述矩形线圈105的长和宽分别为L₁和L₂，矩形线圈的速度为v，该矩形线圈动生电动势大小为E＝2BL₂v；M_N管和M_P管的两漏极短接作为倒相器3的输出端，该输出端与精密峰值电压表4的电阻R1一端连接，M_N管的源极接地，M_P管的源极接电源电压VDD，这样矩形线圈105的运动方向改变之后，动生电动势经过倒相器3可以使相位反转180°；源二极管D_RP的输入端与漏二极管D_RN的输出端串联，源二极管D_RP的输出端接V_DD,漏二极管D_RN的输入端接地，源二极管D_RP、漏二极管D_RN、M_N管和M_P管共同组成独立回路；五引脚的SPDT继电器2，即RELAY-SPDT，由单片机控制处理模块101输入端口电位的高低控制，当矩形线圈正向运动时，输入01，五引脚的SPDT继电器2的刀开关与a引脚连接，即产生的动生电动势不需经过倒相器,直接与精密峰值电压表4的电阻R1连接；当矩形线圈反向运动时，输入10，五引脚的SPDT继电器2的刀开关与b引脚，即倒相器3的输入端连接，产生的动生电动势需经过倒相器使相位反转180°后，再输入精密峰值电压表4。

倒相器3的输出端接精密峰值电压表4的输入端，即电阻R1的一端，精密峰值电压表4由二极管整流电路、运算放大器和电容滤波电路组成，电阻R1的另一端与运算放大器的反向输入端连接，运算放大器的同向输入端与矩形线圈的另一端连接，精密峰值电压表的二极管整流电路是由二极管D1和二极管D2串联再与电阻R2并联组成的，二极管D1的输入端与运算放大器的反向输入端连接，二极管D2的输入端与运算放大器的输出端连接；精密峰值电压表的电容滤波电路是由电阻R3与磁电系电压表uV串联后，再与电容C1并联组成，电容C1并联在二极管D2输出端与运算放大器的同向输入端之间。

本实用新型中的精密峰值电压表单独使用时，当精密峰值电压表的输入电压大于0时二极管D₁导通，二极管D₂截止。当精密峰值电压表的输入电压小于0时，二极管D₁截止，二极管D₂导通。该电路在运算放大器输出端为放大的半波整流电路，可以测量小到几十毫伏的峰值电压。

图3中，uV-磁电系电压表、RELAY-SPDT-五引脚的SPDT继电器、VDD-直流电源、Mp-增强型p沟道MOS管、M_N-增强型n沟道MOS管、D_RP-源二极管、D_RN-漏二极管、R1＝1KΩ电阻、R2＝20KΩ、R3-滑动变阻器、D1、D2-二极管、C1＝50uF。

图4所示实施例表明，本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的电机驱动模块102包括由大功率晶体管组成的桥式电路，该电路的具体组成是：

电阻R4、R5的一端接单片机控制处理模块，电阻R4的另一端与大功率晶体管T1串联，大功率晶体管T1的集电极与R6串联的一端相连，电阻R6的另一端与大功率晶体管T3相连，T3的发射极接+5V电压，大功率晶体管T1的发射极与大功率晶体管T6的基极相连；电阻R5的另一端与大功率晶体管T2串联，大功率晶体管T2的发射极直 接与大功率晶体管T4的基极相连，大功率晶体管T4和T6的发射极相连并接地，大功率晶体管T2的集电极与电阻R7串联后，再与大功率晶体管T5的基极连接，大功率晶体管T3、T4、T5、T6形成互补对称式电路，电路中间接一个小电容C2，用来消除电弧。

图4中，R4、R5＝5.6KΩ，R6、R7＝470KΩ，T1、T2为9013型三极管、T3～T6为BD238型三极管、C2＝0.1uF。

图5所示实施例表明，本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的线路检测模块107包括30u31光敏二极管T7、9013型三极管T8和T9及发光管D3，线路检测模块107的具体电路组成是：发光管D3的输入端与电阻R8一端相连后接电源+5V，发光管D3的输出端接地，T7的发射极与电源+5V相连，T7的集电极与T8的基极相接，发光管D3和光敏二极管T7用来接收光信号，T8的集电极与T9的基极相连后又与电阻R9串联最后接电源+5V，T8和T9的发射极均接地，电阻R10与T9的集电极串联并接电源+5V，T9的集电极和电容C3的一端均与单片机控制处理模块101相应的引脚连接，C3的另一端接地。

当电机输出为高电平时，T8发射极对地，T8导通。+5V经电阻R9为T8提供集电极偏置电压，T9基极为高电平，T9发射极对地，使T9导通，T9集电极输出高电平送入单片机内，当电机输出为低电平，T8发射极对地，T8截止，T8集电极输出低电平到T9基极，+5V经集电极经电阻R10，给T9提供偏置电压，使T9截止，T9输出低电平送入单片机控制处理模块101内，从而使单片机控制处理模块101的输入脉冲发生高低电平变化，低电平用作中断计数判断。

图5中，R8＝300Ω、R9＝10KΩ、R10＝5.1KΩ、C3＝0.47uF。

本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统的工作原理及流程是：电机106固定在小车上，矩形线圈105粘贴在小车上，矩形线圈105在电机106驱动下往返于电磁环境下起点和终点画有黑线的白纸跑道上，电机的正反转即线圈的正向、反向运动由单片机控制处理模块101的高低电平信号控制。当00输入时，为截止状态，当01输入时，为正转，当10输入时，为反转，但不能高电平同时输入(其中1代表高电平，0代表低电平)。通过调节单片机控制处理模块101产生的占空比可变脉冲信号改变脉冲宽度以控制电机的转速。通过单片机控制处理模块101的另外两个接口电位的高低控制线圈的运行速度。在其运动过程中，光敏二极管和发光管构成光电传感器，检测矩形线圈往返运动跑道上的标记黑线，进而产生高低电平信号输送到单片机控制处理模块101中，其中单片机控制处理模块101的一个外中断口负责接收路标检测产生的脉冲，并同时记下检测到起点和终点黑线时的相应时间，单片机控制处理模块101对输入的信号进行分析，从而实现计算往返速度的功能，并由显示模块103进行显示，往返速度的显示用共阴型的数码管实现。由于矩形线圈105切割磁感线的只有两个有效边，设矩形线圈的长和宽分别为L₁和L₂产生的动生电动势的大小为E＝2BL₂v(其中B为磁场的大小，v为矩 形线圈的运动速度)，并且因为矩形线圈正向运动和反向运动产生的动生电动势方向相反，故在矩形线圈105反向运动时需连接一个倒相器3，正向运动时不需要接倒相器3。为此在矩形线圈的一端连接一个五引脚的SPDT继电器2，五引脚的SPDT继电器2的线圈d引脚和e引脚(如图3)分别与单片机控制处理模块101的两个接口相连，由单片机控制处理模块101控制五引脚的SPDT继电器2。当矩形线圈105正向运动时，输入10使五引脚的SPDT继电器2的刀开关与a引脚连接，即产生的动生电动势不需经过倒相器，直接输入到精密峰值电压表4内；而当线圈反向运动时，产生负的动生电动势，输入01使五引脚的SPDT继电器2的刀开关与b引脚，即倒相器的输入端连接，产生的动生电动势需经过倒相器使相位反转180°。从而使正、反向运动产生的动生电动势相位相同，便于测量，经过倒相器3的动生电动势直接输入到精密峰值电压表4中，通过读取磁电系电压表的示数即可获得产生的动生电动势值。

本实用新型电磁环境下动生电动势的智能检测系统所用的元器件和零部件均是本技术领域的技术人员所熟知的，均可以通过商购获得或自己容易制作的，所有元器件之间的连接方式、零部件的安装方式以及电源线路的接线方式也是本技术领域的技术人员所熟知的。

Claims (4)

1.电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于该检测系统包括动生电动势产生部分、五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表，动生电动势产生部分的一端与五引脚的SPDT继电器、倒相器和精密峰值电压表依次连接；动生电动势产生部分的另一端直接与精密峰值电压表连接；

所述动生电动势产生部分包括单片机控制处理模块、电机驱动模块、显示模块、键盘输入单元、矩形线圈、线路检测模块和电机，矩形线圈与电机相连，电机输出端同时接键盘输入单元和线路检测模块，键盘输入单元和线路检测模块又分别与单片机控制处理模块相应输入端口连接，单片机控制处理模块输出端同时接显示模块和电机驱动模块；单片机控制处理模块控制电机运动，矩形线圈固定在电机所在的小车上，矩形线圈随小车在电磁环境下作往返运动，产生动生电动势。

2.根据权利要求1所述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于所述精密峰值电压表包括二极管整流电路、运算放大器和电容滤波电路，并由磁电系电压表显示电压。

3.根据权利要求1所述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于所述单片机控制处理模块采用89C52单片机，所述电机驱动模块包括大功率晶体管构成的桥式电路；所述线路检测模块包括30u31光敏二极管、9013型三极管、发光管。

4.根据权利要求1所述的电磁环境下动生电动势的智能检测系统，其特征在于所述显示模块采用数码管。